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約瑟夫森效應(yīng)（量子力學(xué)領(lǐng)域的現(xiàn)象）

次瀏覽 | 更新時(shí)間：2023-05-20

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約瑟夫森效應(yīng)

量子力學(xué)領(lǐng)域的現(xiàn)象

約瑟夫森效應(yīng)（英語(yǔ)：Josephson effect）是一種橫跨約瑟夫森結(jié)的超電流現(xiàn)象。約瑟夫森結(jié)由二個(gè)互相微弱連接的超導(dǎo)體組成，而這個(gè)微弱連結(jié)的組成結(jié)構(gòu)可以是一個(gè)薄的絕緣層（稱(chēng)為超導(dǎo)體–絕緣體–超導(dǎo)體接面，簡(jiǎn)稱(chēng)S-I-S），一小段非超導(dǎo)金屬（簡(jiǎn)稱(chēng)S-N-S），或者是可弱化接觸點(diǎn)超導(dǎo)性的狹窄部分（簡(jiǎn)稱(chēng)S-s-S）。

基本信息

中文名	約瑟夫森效應(yīng)
領(lǐng)域	量子力學(xué)
外文名	Josephson effect

基本介紹

約瑟夫森效應(yīng)

Josephsoneffect

電子能通過(guò)兩塊超導(dǎo)體之間薄絕緣層的量子隧道效應(yīng)。1962年由B.D約瑟夫森首先在理論上預(yù)言，在不到一年的時(shí)間內(nèi)，P.W.安德森和J.M.羅厄耳等人從實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了約瑟夫森的預(yù)言。約瑟夫森效應(yīng)的物理內(nèi)容很快得到充實(shí)和完善，應(yīng)用也快速發(fā)展，逐漸形成一門(mén)新興學(xué)科——超導(dǎo)電子學(xué)。

兩塊超導(dǎo)體通過(guò)一絕緣薄層(厚度為10埃左右)連接起來(lái)，絕緣層對(duì)電子來(lái)說(shuō)是一勢(shì)壘，一塊超導(dǎo)體中的電子可穿過(guò)勢(shì)壘進(jìn)入另一超導(dǎo)體中，這是特有的量子力學(xué)的隧道效應(yīng)。當(dāng)絕緣層太厚時(shí)，隧道效應(yīng)不明顯，太薄時(shí)，兩塊超導(dǎo)體實(shí)際上連成一塊，這兩種情形都不會(huì)發(fā)生約瑟夫森效應(yīng)。絕緣層不太厚也不太薄時(shí)稱(chēng)為弱連接超導(dǎo)體。兩塊超導(dǎo)體夾一層薄絕緣材料的組合稱(chēng)

超導(dǎo)隧道結(jié)或約瑟夫森結(jié)。約瑟夫森效應(yīng)主要表現(xiàn)為：

直流約瑟夫森效應(yīng)結(jié)兩端的電壓

時(shí)，結(jié)中可存在超導(dǎo)電流，它是由超導(dǎo)體中的庫(kù)珀對(duì)的隧道效應(yīng)引起的。只要該超導(dǎo)電流小于某一臨界電流

，就始終保持此零電壓現(xiàn)象，

稱(chēng)為約瑟夫森臨界電流。

對(duì)外磁場(chǎng)十分敏感，甚至地磁場(chǎng)可明顯地影響

。沿結(jié)平面加恒定外磁場(chǎng)時(shí)，結(jié)中的隧道電流密度在結(jié)平面的法線方向上產(chǎn)生不均勻的空間分布。改變外磁場(chǎng)時(shí)，通過(guò)結(jié)的超導(dǎo)電流Is隨外磁場(chǎng)的增加而周期性地變化，描出與光學(xué)中的夫瑯和費(fèi)單縫衍射分布曲線相似的曲線，稱(chēng)為超導(dǎo)隧結(jié)的量子衍射現(xiàn)象。

交流約瑟夫森效應(yīng)結(jié)兩端的直流電壓

時(shí)，通過(guò)結(jié)的電流是一個(gè)交變的振蕩超導(dǎo)電流，振蕩頻率（稱(chēng)約瑟夫森頻率）f與電壓V成正比，即

，e為電子電量，h為普朗克常數(shù)，這使超導(dǎo)隧道結(jié)具有輻射或吸收電磁波的能力。以微波輻照隧道結(jié)時(shí)可產(chǎn)生共振現(xiàn)象。連續(xù)改變所加的直流電壓以改變交流振蕩頻率，

當(dāng)約瑟夫森頻率f等于微波頻率的整數(shù)倍時(shí)，就發(fā)生共振，此時(shí)有直流成分的超導(dǎo)電流流過(guò)隧道結(jié)，在

特性曲線上可觀察到一系列離散的階梯式的恒定電流。測(cè)定約瑟夫森頻率f，可由電壓V測(cè)定常量

，或從已知常量e和h精確測(cè)定V。

交流約瑟夫森效應(yīng)已被用來(lái)作為電壓標(biāo)準(zhǔn)。

約瑟夫森效應(yīng)

圖1

約瑟夫森效應(yīng)的應(yīng)用約瑟夫森效應(yīng)不僅生動(dòng)地顯示了宏觀量子力學(xué)效應(yīng)，具有重要的理論意義，而且有廣泛的實(shí)際應(yīng)用。利用它可制作超導(dǎo)量子干涉器件，其中最典型的是直流超導(dǎo)量子干涉器件，它是由兩個(gè)完全相同的約瑟夫森結(jié)a和b用超導(dǎo)體并聯(lián)而成的雙結(jié)超導(dǎo)環(huán)。在環(huán)面垂直的方向上加外磁場(chǎng)B，外磁場(chǎng)變化時(shí)，流過(guò)每個(gè)結(jié)的超導(dǎo)電流也隨B而變，兩個(gè)超導(dǎo)電流耦合而發(fā)生干涉，總的超導(dǎo)電流Is隨B而變的曲線如圖2下方所示，它相當(dāng)于光學(xué)中的雙縫干涉結(jié)果。若以直流電流作為雙結(jié)的偏置電流，結(jié)電壓將隨外磁場(chǎng)的改變作周期性變化，于是利用直流超導(dǎo)量子干涉器件可將磁場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)。用射頻電流偏置單結(jié)超導(dǎo)環(huán)（超導(dǎo)環(huán)中包含一個(gè)約瑟夫森結(jié)），就構(gòu)成了射頻量子干涉器的核心部分。超導(dǎo)量子干涉器常用來(lái)組成超導(dǎo)磁強(qiáng)計(jì)、磁梯度計(jì)、磁化率計(jì)、高靈敏度的檢流計(jì)和電壓計(jì)、噪聲溫度計(jì)等。約瑟夫森器件還可用來(lái)作為微波和遠(yuǎn)紅外線的探測(cè)器和這一波段的混頻器。約瑟夫森器件具有開(kāi)關(guān)速度快、功耗低等特點(diǎn)，可組成性能優(yōu)良的計(jì)算機(jī)元件。約瑟夫森效應(yīng)在電子學(xué)領(lǐng)域獲得了重要應(yīng)用，形成了超導(dǎo)電子學(xué)這門(mén)新的分支學(xué)科。

圖2

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